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1、变压器的基本结构和运行分析,第七章,第一节 变压器的基本结构,重点： 变压器的基本结构和额定值 难点： 变压器的铁心和绕组,变压器概述,为了供电、输电、配电的需要，就必须使用一种电气设备把发电厂内交流发电机发出的交流电压变换成不同等级的电压。这种电气设备就是变压器。,变压器是在法拉第电磁感应原理的基础上设计制造的一种静止的电气设备，它可以将输入的一种等级电压的交流电能变换成同频率的另一种等级电压的交流电能输出。,变压器基本结构,一、铁心,变压器的主磁路，为了提高导磁性能和减少铁损，用0.35mm厚、表面涂有绝缘漆的硅钢片叠成。,变压器的电路，一般用绝缘铜线或铝线绕制而成。,油浸式变压器的器身浸
2、在变压器油的油箱中。油是冷却介质，又是绝缘介质。油箱侧壁有冷却用的管子（散热器或冷却器）。,将线圈的高、低压引线引到箱外，是引线对地的绝缘，担负着 固定的作用。,二、绕组,三、油箱,四、绝缘套管,此外，还有储油柜、吸湿器、安全气道、净油器和气体继电器。,变压器的分类,按用途分：电力变压器和特种变压器。,按绕组数目分：单绕组（自耦）变压器、双绕组变压器、三绕组变压器和多绕组变压器。,按相数分：单相变压器、三相变压器和多相变压器。,按铁心结构分：心式变压器和壳式变压器。,按调压方式分：无励磁调压变压器和有载调压变压器。,按冷却介质和冷却方式分：干式变压器、油浸式变压器和充气式变压器。,变压器的铭牌
3、和额定值,变压器铭牌上面标注着变压器的型号和额定值等。,三者关系：,此外，额定值还有额定频率、效率、温升等。,工作原理和运行分析,变压器的主要部件是铁心和套在铁心上的两个绕组。两绕组只有磁耦合没电联系。在一次绕组中加上交变电压，产生交链一、二次绕组的交变磁通，在两绕组中分别感应电动势。,只要一、二次绕组的匝数不同，就能达到改变压的目的。,变压器的空载运行,变压器中各电磁量的正方向按图所示做如下规定： （1）电位降用电压U表示；电位升用电势E表示； （2）原边绕组电压的正方向是从原边绕组的首端A指向末端X； （3）原边绕组电流I的正方向是从原边绕组的首端A指向末端X，即原边绕组电压的正方向和电流
4、的正方向一致。 （4）磁通的正方向与电流的正方向之间符合右手螺旋定则。 （5）原边绕组感应电势的正方向和副边绕组感应电势的正方向与产生它们的磁通的正方向之间亦符合右手螺旋定则。,理想变压器空载时的电压方程,理想变压器是指绕组没有电阻，铁心中没有损耗，磁路不饱和且没有漏磁通的变压器。,理想变压器空载时的电压方程,在理想变压器中，外加的电源电压和原边绕组中的感应电势在数值上是相等的，而在相位上相差180o。因此可以得到：,U1E1=4.44 fN1m,上式表明，一定幅值的外加电压U1，产生一定幅值的交变磁通m，以建立与电压平衡的感应电势。即在频率f和匝数N1不变的条件下，电压 U1正比于磁通m或者
5、说，若外加电压U1不变。,变压器的变压比,变压器的变压比用K表示，它定义为原边绕组电势E1与副边绕组电势E2之比。,变压器的变压比等于原边、副边绕组的匝数之比，等于原边绕组电压与副边绕组空载电压之比，也等于原边绕组额定电压与副边绕组额定电压之比。,实际变压器空载时的电压方程,实际变压器空载时的电压方程,实际上的变压器空载运行时，空载电流I0激励的磁通分为两部分：一部分为主磁通，它同时与原边、副边绕组交链并产生感应电势 E1和 E2；另一部分通过原边绕组周围的空间形成闭合回路，只与原边绕组交链而不与副边绕组交链，称为原边绕组漏磁通。它在原边绕组中产生的感应电势称为漏电抗电势，由于漏磁通经过空气闭
6、路，磁路不会饱和，又由于漏磁通经过的路径磁阻很大，因此相应的漏电抗和漏电抗电势是很小的。,变压器的空载运行,（1）一次侧主电动势与漏阻抗压降总是与外施电压平衡,若忽略漏阻抗压降，则一次主电势的大小由外施电压决定.,（2）主磁通大小由电源电压、电源频率和一次线圈匝数决定，与磁路所用的材质及几何尺寸基本无关。,（3）空载电流大小与主磁通、线圈匝数及磁路的磁阻有关，铁心所用材料的导磁性能越好，空载电流越小。,（4）电抗是交变磁通所感应的电动势与产生该磁通的电流的比值，线性磁路中，电抗为常数，非线性电路中，电抗的大小随磁路的饱和而减小。,变压器的负载运行,负载运行是指变压器的原边绕组接在电源上，副边绕
7、组接上负载后输出电流的状态。,负载运行时的电磁关系,变压器的负载运行,或,变压器的等效电路,一、折算,折算：将变压器的二次（或一次）绕组用另一个绕组来等效，同时对该绕组的电磁量作相应的变换，以保持两侧的电磁关系不变。,目的：用一个等效的电路代替实际的变压器。,折算原则：1）保持二次侧磁动势不变；2）保持二次侧各功率或损耗不变。,方法：（将二次侧折算到一次侧),变压器的等效电路,折算后的方程式为,变压器的等效电路,根据折算后的方程，可以作出变压器的等效电路。,变压器的参数测定,对已制造出的变压器通过实验的方法来测定参数,二、接线图,三、要求及分析,1）低压侧加电压，高压侧开路；,空载实验,一、目
8、的：通过测量空载电流和一、二次电压及空载功率来计算变比、空载电流百分数、铁损和励磁阻抗。,变压器的参数测定,5）空载电流和空载功率必须是额定电压时的值，并以此求取励磁参数；,6）若要得到高压侧参数，须折算；,7）对三相变压器，各公式中的电压、电流和功率均为相值；,4）求出参数,变压器的参数测定,短路实验,一、目的：通过测量短路电流、短路电压及短路功率来计算变压器的短路电压百分数、铜损和短路阻抗。,二、接线图,三、要求及分析,1）高压侧加电压，低压侧短路；,3）同时记录实验室的室温；,4）由于外加电压很小，主磁通很少，铁损耗很少，忽略铁损，认为 。,变压器的参数测定,5）参数计算,对T型等效电路
9、：,6）温度折算：电阻应换算到基准工作温度时的数值。,8）对三相变压器，各公式中的电压、电流和功率均为相值；,7）若要得到低压侧参数，须折算；,四、短路电压：,短路时，当短路电流为额定值时一次所加的电压，称为短路电压，记作,短路电压也称为阻抗电压。,变压器的参数测定,短路电压常用百分值表示。,短路电压的大小直接反映短路阻抗的大小，而短路阻抗又直接影响变压器的运行性能。,从正常运行角度看，希望它小些，这样可使副边电压随负载波动小些；从限制短路电流角度，希望它大些,相应的短路电流就小些。,第四节 变压器的运行性能,电压变化率,用相量图可以推导出电压变化率的表达式：,定义：是指一次侧加50Hz额定电
10、压、二次空载电压与带负载后在某功率因数下的二次电压之差，与二次额定电压的比值，即,电压变化率是表征变压器运行性能的重要指标之一,它大小反映了供电电压的稳定性。,由表达式可知，电压变化率的大小与负载大小、性质及变压器的本身参数有关。,第四节 变压器的运行性能,在原边绕组电压保持额定，负载功率因数为常数时，变压器副边绕组端电压U2随负载电流I2变化的规律U2=f（I2）称为变压器的外特性。,变压器的外特性,为了保证二次端电压在允许范围之内,通常在变压器的高压侧设置抽头,并装设分接开关,调节变压器高压绕组的工作匝数,来调节变压器的二次电压。,第四节 变压器的运行性能,铁损耗与外加电压大小有关，而与负
11、载大小基本无关，故也称为不变损耗。,变压器的损耗,铜损耗也分基本铜损耗和附加铜损耗。基本铜损耗是在电流在一、二次绕组直流电阻上的损耗；附加损耗包括因集肤效应引起的损耗以及漏磁场在结构部件中引起的涡流损耗等。,变压器的损耗主要是铁损耗和铜损耗两种。,铁损耗包括基本铁损耗和附加铁损耗。基本铁损耗为磁滞损耗和涡流损耗。附加损耗包括由铁心叠片间绝缘损伤引起的局部涡流损耗、主磁通在结构部件中引起的涡流损耗等。,第四节 变压器的运行性能,效率大小反映变压器运行的经济性能的好坏，是表征变压器运行性能的重要指标之一。,效率及效率特性,效率是指变压器的输出功率与输入功率的比值。,其中,第四节 变压器的运行性能,
12、变压器效率的大小与负载的大小、功率因数及变压器本身参数有关。,效率特性：在功率因数一定时，变压器的效率与负载电流之间的关系=f(),称为变压器的效率特性。,单相变压器的联接组别,变压器绕组的同名端,因为变压器的原、副边绕组绕在同一个铁心上，都被磁通交链，故当磁通交变时，在两个绕组中感应出的电势有一定的方向关系，即当原边绕组的某一端点瞬时电位为正时，副边绕组上也必有一电位为正的对应端点。这两个对应的端点、称为同名端或同极性端。,1对两个绕向已知的绕组，当电流从两个同名端流入（或流出）时，铁心中所产生的磁通方向一致； 2、对于一台已经制成的变压器，无法从外部观察其绕组的绕向，因此无法辨认其同名端，
13、此时可用实验的方法进行测定。测定的方法有交流法和直流法两种。,单相变压器的联接组别,一、二次绕组的同极性端同标志时，一、二次绕组的电动势同相位。,一、二次绕组的同极性端异标志时，一、二次绕组的电动势反相位。,其它用途变压器,自耦变压器,自耦变压器,也就是在忽略激磁电流后一个绕组本身的两段存在着磁势平衡。,磁势平衡,自耦变压器,容量关系,可见两段绕组的容量均只有变压器容量(1-1/ka)倍。 自耦变压器不仅可以省去一个绕组，而且其绕组容量要比相应的双绕组变压器小，这样就减少铁、铜等材料，缩小尺寸。 (1-1/ka)越小则省材越多，所以适合于ka2的情况。,自耦变压器,传导容量和电磁容量,把普通双
14、绕组变压器改接成自耦变压器以后，自耦变压器的额定容量增加，自耦变压器额定容量是通过电磁感应关系从电源端传到负载的，这部分容量称为电磁容量，另一部分增加的容量则通过一、二次绕组的电联系直接传递的，称为传导容量。,互感器,直接测量大电流或高电压是比较困难的。在交流电路中，常用特殊的变压器把高电压转换成低电压、大电流转换成小电流后再测量。这种特殊的变压器就是互感器。,电压互感器,用于测量高电压的互感器叫电压互感器,电压互感器的一、二次绕组绕在闭合的铁芯上。一次绕组的匝数很多，并联在被测电路上，二次绕组的匝数很少，只有一匝或几匝接在高阻抗的测量仪表上,Ku为电压互感器的额定比或称变比,电压互感器,因为
15、空载电流和一、二次绕组的漏阻抗的存在使电压互感器产生两种误差： 一种是变比误差，是指二次绕组端电压的折算值与一次绕组电压的算术差； 另一种是相角误差，是指电压互感器一次与二次电压相量间的相位差。,使用电压互感器时必须注意以下三个问题： （1）副边不许短路。电压互感器正常运行时接近空载，如副边短路，则电流变得很大，使绕组过热而烧毁。 （2）铁心及副边绕组一端接地。 （3）副边接的阻抗值不能太小。否则原、副边电流都将增大，使原、副边漏阻抗压降增加，误差加大，降低电压互感器的精度等级。,电流互感器,用于检测大电流的互感器叫电流互感器。,电流互感器由铁芯和绕组两部分组成，一次侧绕组匝数很少，一般只有一匝或几匝，一次绕组与被测线路串联，二次绕组的匝数很多，二次绕组通过电流表、功率表或电度表的电流线圈短接。,Ki为电流互感器的额定电流比或称变比。,电流互感器,电流互感器的误差分为变比误差和相角误差两种。,变比误差是指二次侧电流折算到一次侧的电流与一次电流的算术差；,相角误差是指一次侧电流相量与二次侧电流折算值相量之间的相角差。这两个误差主要是由空载电流和一、二次绕组漏抗及仪表的阻抗所引起的。,（1）副边不许开路。 （2）铁心及副边绕组一端接地。 （3）副边回路串人的阻抗值不能超过有关技术标准的规定。,